單片機(jī)電子密碼鎖加密模塊的研究與設(shè)計(jì)

潘雪峰 李臘元，2 楊威棣

(武漢生物工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程系1，湖北 武漢 430415;武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2，湖北 武漢 430063)

0 引言

安全問題是現(xiàn)代社會(huì)各界普遍關(guān)注的焦點(diǎn)之一。目前，常見的安全產(chǎn)品有指紋識(shí)別系統(tǒng)、IC卡辨識(shí)系統(tǒng)以及紅外防盜系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)一般用于保密要求較高或供個(gè)人使用的保險(xiǎn)箱(或保險(xiǎn)柜)。雖然產(chǎn)品的安全性高，但由于其生產(chǎn)成本高，攜帶、安裝及使用不方便等缺點(diǎn)，在一定程度上限制了這類產(chǎn)品的普及和推廣［1-2］。針對(duì)這些缺點(diǎn)，基于單片機(jī)的電子密碼鎖使用8051單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)多功能密碼模塊。這種電路設(shè)計(jì)具有加密更快速、可靠性更高、成本更低的特點(diǎn)，特別適用于家庭、辦公室、學(xué)生宿舍及賓館等場(chǎng)所，具有很強(qiáng)的社會(huì)推廣價(jià)值。

傳統(tǒng)電子密碼鎖的基本功能要求有:①一定的密碼位數(shù)與取值范圍，密碼位數(shù)決定鎖體健壯程度;②用戶自行設(shè)定和修改密碼;③按鍵時(shí)有相應(yīng)提示，若輸入的開鎖密碼不正確，則需另行處理;④開鎖密碼錯(cuò)誤次數(shù)超過限制則報(bào)警;⑤鍵入正確開鎖密碼后開鎖;⑥硬件成本低廉，軟件簡(jiǎn)潔可靠，易于批量生產(chǎn)。

智能電子鎖的功能擴(kuò)展要求有:①功能多樣化;②計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信擴(kuò)展智能電子鎖的功能;③與智能現(xiàn)場(chǎng)儀器和中央監(jiān)控系統(tǒng)連接;④模塊高度集成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，操作方便;⑤人機(jī)界面智能化、友善化;⑥智能識(shí)別系統(tǒng)，擴(kuò)展信號(hào)提取技術(shù)［3-5］。

本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電子密碼鎖基本功能，并引入嵌入式技術(shù)，減少了電子密碼鎖外圍元器件，硬件電路簡(jiǎn)單;以C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了源程序結(jié)構(gòu)及代碼，降低了ROM空間的占用。

1 方案分析與設(shè)計(jì)

1.1 芯片的選擇

中央處理單元采用Intel 8051，其具有4個(gè)8位準(zhǔn)雙向I/O口，只需1個(gè)晶振和2個(gè)電容即可工作。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠［6-8］。Intel 8051內(nèi)置4 kB的程序ROM以及128 B的數(shù)據(jù)RAM［9-10］。為了降低成本，沒有外接存儲(chǔ)器，而是直接使用片內(nèi)的存儲(chǔ)空間。由于鍵盤輸入密碼采用的是中斷方式，因而采用74LS21四輸入與非門作為單片機(jī)的中斷源。

1.2 功能設(shè)計(jì)

用戶通過矩陣式鍵盤中斷輸入密碼，中斷后系統(tǒng)調(diào)用密碼驗(yàn)證函數(shù)。如果密碼輸入正確，單片機(jī)輸出開鎖信號(hào)開鎖。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)鍵盤的中斷控制還要為鍵盤的擴(kuò)展功能留出CPU時(shí)間。當(dāng)用戶發(fā)現(xiàn)輸入錯(cuò)誤時(shí)，可以清除重新輸入。此外，當(dāng)密碼輸入后，可通過驗(yàn)證程序進(jìn)行判斷。如果密碼錯(cuò)誤，則啟動(dòng)出錯(cuò)提示。當(dāng)密碼錯(cuò)誤次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)，系統(tǒng)將鎖定鍵盤，一段時(shí)間內(nèi)禁止輸入。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 單片機(jī)引腳的分配

在進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，基于單片機(jī)的電子密碼鎖采用的是 Intel 8051 的4 個(gè)8 位 I/O 口，其中 P2.0～ P2.4作為掃描的輸入輸出口使用，而P3.2則作為輸出口使用。

1.3.2 存儲(chǔ)分配

用戶通過鍵盤進(jìn)行輸入，需要為鍵盤分配一個(gè)用來存儲(chǔ)鍵入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。由于密碼位數(shù)一般在10位以內(nèi)，因此，分配10 B給該緩沖區(qū)。

在進(jìn)行密碼驗(yàn)證過程中，需要使用密碼表來存放密碼，因此，分配一個(gè)256 B的密碼表并存放在code區(qū)，同時(shí)，code區(qū)用來存代碼。

1.3.3 電路設(shè)計(jì)

Intel 8051通過8根數(shù)據(jù)線直接與鍵盤連接，其中4根作為行掃描線，掃描輸入高電平;另外4根與8051直接連接的是列掃描線，列掃描輸出線置低電平。當(dāng)鍵盤按下時(shí)，將在中斷輸入產(chǎn)生一個(gè)上升沿的跳變，觸發(fā)中斷進(jìn)入中斷處理程序。該信號(hào)通過四輸入與門發(fā)送給8051。8051電子密碼鎖原理如圖1所示。

圖1 8051電子密碼鎖原理圖Fig.1 Principle schematic of 8051 electronic cryptogram lock

2 系統(tǒng)程序模塊設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)使用較多的是Hi-Tech的Hi-Tech PICC編譯器，且目前的單片機(jī)仿真器也支持Hi-Tech PICC編譯格式。因此，本文采用Hi-Tech C編譯器的格式編寫程序模塊。

程序模塊包括鍵盤接收模塊、加密模塊和驗(yàn)證密碼模塊這3部分。在功能模塊之前，還要加上密碼格式定義的內(nèi)容。該內(nèi)容用于對(duì)密碼的長(zhǎng)度和格式類型進(jìn)行定義。密碼長(zhǎng)度定義為10，類型定義為unsigned char。

2.1 鍵盤接收模塊

鍵盤接收模塊由兩個(gè)程序組成，分別是中斷例程和讀取鍵盤鍵值程序。中斷例程是一個(gè)中斷服務(wù)程序。該程序可記錄下按鍵次數(shù);讀取鍵盤程序則是將輸入的鍵值記錄下來。

2.1.1 中斷例程

中斷例程的主要功能是當(dāng)按下鍵盤任意一按鍵時(shí)產(chǎn)生中斷，此時(shí)執(zhí)行中斷程序aa(void)。該程序首先將外部中斷位清0，然后調(diào)用讀取鍵值的程序readbyte()，記錄下按鍵次數(shù)，并判斷相應(yīng)位數(shù)是否為10，最后將外部中斷位置1。程序代碼如下。

2.1.2 讀取鍵盤鍵值程序

讀取鍵盤鍵值程序的主要功能是根據(jù)單片機(jī)P2口相應(yīng)引腳電平的變化情況，返回一個(gè)相應(yīng)的鍵值。其程序代碼如下。

2.2 加密模塊代碼

加密模塊首先獲取系統(tǒng)時(shí)間，然后借助系統(tǒng)時(shí)間產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，通過循環(huán)初始化生成一個(gè)密碼矩陣。接著，程序會(huì)打開一個(gè)文件，如果文件成功打開，則將矩陣寫入該文件中;如果文件無法打開，則返回。在將矩陣寫入文件時(shí)，先寫入數(shù)組頭;然后格式化數(shù)組串，將矩陣分行寫入文件，每行尾部加上換行，寫入最后一個(gè)文件并加上數(shù)組結(jié)尾;加密模塊最后給出關(guān)閉文件句柄，并將寫好的文件關(guān)閉。其程序代碼如下。

2.3 驗(yàn)證密碼模塊

在進(jìn)行密碼驗(yàn)證的過程中，主要是核對(duì)輸入的信息和存儲(chǔ)的信息是否一致，在此使用scanf_s()函數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。如果信息一致，即給出密碼驗(yàn)證成功的提示;如果不一致，則給出相應(yīng)編號(hào)。其程序代碼如下。

3 仿真測(cè)試

常用的電路仿真軟件有Multisim、Protel、Proteus、Pspice這4種。由于Mulstisim在模擬器件和一些分離器件的仿真方面功能較強(qiáng)，因此，在電路仿真測(cè)試中選用的是 Multisim 11.0。

使用Multisim 11.0時(shí)，可以借助特殊功能寄存器窗口對(duì)寄存器進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)還可以借助IRAM窗口對(duì)變量進(jìn)行跟蹤。通過仿真測(cè)試，可觀測(cè)到flag變量地址為20H，值為0H。由于密碼長(zhǎng)度被定義為10，因此用戶鍵盤的緩沖區(qū)的地址范圍為10 B，地址是從21H到2AH。在未按下任何按鍵時(shí)，該緩沖區(qū)的值均為0。

在鍵盤上按下預(yù)定的10位密碼后，中斷程序即進(jìn)行響應(yīng)，并執(zhí)行讀鍵程序和判斷程序;驗(yàn)證正確后，在開鎖控制端給出高電平。為了使試驗(yàn)更直觀，在開鎖控制端接一個(gè)燈泡，根據(jù)燈泡是否發(fā)光來判斷試驗(yàn)是否成功。

在仿真測(cè)試的過程中，當(dāng)按鍵符合預(yù)設(shè)時(shí)，燈泡變亮，同時(shí)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)顯示為11H，并將緩存區(qū)指針復(fù)位，測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)相符。

在完成系統(tǒng)功能測(cè)試的同時(shí)，在密碼輸入過程中對(duì)密碼驗(yàn)證模塊進(jìn)行了測(cè)試，使用6組不同的十六進(jìn)制值來測(cè)試相應(yīng)單元，測(cè)試值分別為 12h、34h、01h、bfh、21h和1dh。這6組不同的值，在仿真測(cè)試中均可以生成密碼，并能夠?qū)Ⅱ?yàn)證密碼模塊中的提示“密碼驗(yàn)證成功!”逐個(gè)顯示。這就說明模塊完成了編譯運(yùn)行工作［11-15］。

4 結(jié)束語

為降低密碼鎖的成本，設(shè)計(jì)了基于8051單片機(jī)的密碼鎖加密模塊。由于該模塊具有8位操作數(shù)，故能夠十分方便地移植到8位的8051上并高速、正確運(yùn)行。同時(shí)，該系統(tǒng)模塊中的程序簡(jiǎn)短，不需額外的存儲(chǔ)器來存放程序，為整個(gè)系統(tǒng)節(jié)省了成本。

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